KR20140006289A - 나노 물질용 열전 물성 측정 장치, 열전 물성 측정 방법 및 그 제조 방법 - Google Patents

나노 물질용 열전 물성 측정 장치, 열전 물성 측정 방법 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 나노 물질의 열전 특성을 용이하게 측정할 수 있는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 기판; 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질에 직류 전류를 인가하는 직류 전류 인가 전극; 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 제공하도록 가열하는 히터; 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질에 인가된 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정하고, 측정 대상 나노 물질의 온도 구배를 측정하는 측정 전극; 및 직류 전류 인가 전극, 히터, 및 측정 전극과 각각 전기적으로 연결된 마이크로 단자;를 포함한다.

Description

나노 물질용 열전 물성 측정 장치, 열전 물성 측정 방법 및 그 제조 방법{Apparatus for measuring thermoelectric properties of nano material, method for measuring thermoelectric properties of nano material and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 멤스(MEMS) 기술을 이용하여 형성한 나노 물질용 열전 특성 측정 장치, 열전 물성 측정 방법 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
열전 나노선은 벌크형 열전 재료에 비해 높은 열전성능을 가지는 것으로 예상된다. 일반적으로, 열전재료의 에너지 변환효율은 열전성능계수로 나타나며, 상기 열전성능계수는 제백 계수(α)와 전기전도도(σ)의 측정을 요구한다. 그러나, 열전 나노선은 그 자체의 크기가 매우 작아 기존의 열전 특성 측정장비를 사용할 경우, 전기적 접합이 어렵고, 측정 노이즈가 커지는 등 열전 특성의 측정이 거의 불가능하다. 따라서, 열전 나노선을 측정하기 위한 측정 장치가 요구된다.
멤스(MEMS)공정 및 반도체 공정에서 사용되는 각종 식각 공정과 리소그래피 (lithography)기술을 이용하면, 마이크로미터 이하의 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 이러한 기술들을 이용하여, 나노선과 같은 미세한 구조물의 물성을 측정하는 시도들이 계속되고 있다.
하기의 비특허문헌1의 선행 기술은, 멤스 공정기술을 이용하여 실리콘 나노선의 열전성능계수를 측정한 결과를 개시한다. 본 선행기술은 실리콘 나노선의 열전성능계수를 성공적으로 측정하였으나, 측정 장치의 구조가 취약하여 제조가 어렵고, 멤스 구조 위에 탑-다운 방식으로 준비된 실리콘 나노선에 대하여만 물성을 측정할 수 있는 한계가 있다.
하기의 비특허문헌2의 선행 기술은, 외부에서 성장시킨 나노선을 멤스 구조로 이동하여 측정할 수 있는 멤스 기반 측정 장치를 개시한다. 본 선행기술은 측정대상 나노선을 멤스 기반 측정 장치로 이동시키는 공정의 수율이 낮은 한계가 있다.
이러한 종래 기술의 문제점을 개선할 수 있도록, 외부에서 제작한 나노선의 열전 특성을 개별 단위로 측정할 수 있고 제작이 용이한 나노 물질용 열전 특성 측정 장치가 요구된다.
(비특허문헌)
1. A.I. Boukai, Y. Bunimovich, J.T. Kheli, J.K. Yu, W.A. Goddard, J.R. Heath, "Silicon Nanowires as Efficient Thermoelectric Materials," Nature, Issue 451,pp. 168-171 (2008).
2. J. Zhou, C. Jin, J.H. Seol, X. Li, and L. Shi, "Thermoelectric properties of individual electrodeposited bismuth telluride nanowires", Appl. Phys. Lett., v.87, 133109 (2005).
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노 물질의 열전 특성을 용이하게 측정할 수 있는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 나노 물질의 열전 특성을 용이하게 측정할 수 있는 나노 물질용 열전 특성 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 나노 물질의 열전 특성을 용이하게 측정할 수 있는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질에 직류 전류를 인가하는 직류 전류 인가 전극; 상기 기판 상에 위치하고, 상기 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 제공하도록 가열하는 히터; 상기 기판 상에 위치하고, 상기 측정 대상 나노 물질에 인가된 상기 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정하고, 상기 측정 대상 나노 물질의 상기 온도 구배를 측정하는 측정 전극; 및 상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극과 각각 전기적으로 연결된 마이크로 단자;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전류 인가 전극은 상기 히터와 상기 측정 전극 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 측정 전극은 상기 전류 인가 전극과 상기 히터 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 측정 전극은 양 단부에 분지들을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 직류 전류 인가 전극과 상기 측정 전극은 제1 방향으로 연장될 수 있다. 상기 히터는 상기 제1 방향과는 수직인 방향에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 히터는 하나로 구성되거나 또는 서로 대향하는 복수 개로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극은 동일한 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극 중 적어도 어느 하나는 백금 또는 백금 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은, 상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극이 위치하는 제1 영역; 및 상기 마이크로 단자가 위치하는 제2 영역;을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역의 열용량이 상기 제2 영역의 열용량에 비하여 작게되도록, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 비하여 작은 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 의하여 둘러싸일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 영역은 절연층을 포함할 수 있다. 상기 제2 영역은 상기 절연층과 상기 절연층의 하측에 위치한 반도체층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 마이크로 단자는, 상기 나노 구조체에 전력을 전달하여 열을 발생시키는 히터용 마이크로 단자; 및 상기 나노 구조체와 신호를 송수신하는 신호 송수신용 마이크로 단자;를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질의 일부 영역을 가열하여 상기 측정 대상 나노 물질의 열전 특성을 측정하는 나노 구조체; 상기 기판 상에 위치하고 상기 나노 구조체와 전기적으로 연결된 마이크로 단자;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 방법은, 1) 전기 전도도 측정을 위하여, 측정 대상 나노 물질에 직류 전류 인가 전극을 통하여 직류 전류를 인가하는 단계; 상기 측정 대상 나노 물질에 인가된 상기 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정 전극을 통하여 측정하는 단계; 2) 제백 계수 측정을 위하여, 상기 측정 대상 나노 물질을 히터를 이용하여 가열하여 상기 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 형성하는 단계; 및 상기 측정 대상 나노 물질에 형성된 온도 구배에 의하여 발생하는 열기전력을 상기 측정 전극을 통하여 측정하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치의 제조 방법은, 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 지지층과 절연층이 순차적으로 형성된 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 제 2 영역 상에 마이크로 단자를 형성하는 단계; 상기 기판의 상기 제1 영역 상에 직류 전류 인가 전극, 측정 전극, 및 히터를 형성하는 단계; 및 상기 기판의 제1 영역의 지지층을 제거하여 개구부를 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 직류 전류 인가 전극, 측정 전극, 및 히터를 포함함으로써, 나노 물질의 제백 계수와 전기 전도도를 하나의 장치를 이용하여 쉽고 정밀하게 측정할 수 있다.
발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 나노 물질의 전기 전도도를 측정하는 경우, 직류 전류 인가 전극과 측정 전극을 이용한 4단자 측정을 가능하게 하여 기생저항성분을 최소화할 수 있으므로, 보다 정밀한 측정을 제공할 수 있다.
본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 나노 물질의 제백 계수를 측정하는 경우, 적절하게 선택된 교류 파형을 이용하여 저항 변화를 측정하므로 주파수 변화를 통하여 온도 측정 전극 사이의 간섭을 최소화할 수 있으므로, 보다 정밀한 측정을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는, 직류 전류 인가 전극, 측정 전극, 및 히터의 하측에서 감소된 두께를 가지는 기판을 포함하므로, 기판의 열용량을 감소시킬 수 있으므로, 보다 정밀한 측정을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치는 나노 선 외에 나노 시트, 나노 리본과 같은 다양한 나노 구조물에 대하여 적용될 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 II-II를 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 제1 영역을 확대한 확대 평면도이다.
도 4는 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 이용하여 나노 물질의 전기 전도도를 측정하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 이용하여 측정한 나노 물질의 전류-전압 곡선이다.
도 6은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치의 제1 히터 및 제2 히터에 공급되는 전류와 측정 대상 나노 선 양단에서 측정된 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 이용하여 나노 물질의 온도 및 열기전력을 측정하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 8은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 이용하여 측정한 제1 및 제2 측정 전극의 저항 변화와 실제 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 이용하여 측정한 측정 대상 나노 선의 온도 구배 변화와 열기전력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치를 형성하는 방법을 도시하는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 나노 물질의 열전 특성 측정 장치를 제공하는 것이다. 특히, 하나의 측정 대상 나노 선의 전기 전도도와 제백 계수를 함께 측정할 수 있고 멤스 구조를 가지는 열전 특성 측정 장치를 제공하는 것이다.
나노 선은 크기와 질량이 매우 작으므로, 측정 시에 검출되는 신호가 매우 작다. 종래의 물성 측정 장비는 대부분 측정 신호가 큰 벌크 물질을 대상으로 측정하도록 설계되므로, 나노선의 물성을 측정하는 경우, 장비 자체의 노이즈 등에 의하여 나노 물질의 물성을 정확하게 측정하는 것이 거의 불가능하다. 따라서, 나노 선의 물성을 측정하는 장비에는 멤스(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS) 구조와 같은 미세 장치가 적합할 수 있다.
재료의 열전 특성을 판단하는 기준으로서, 열전성능계수를 통상적으로 사용한다. 상기 열전성능계수는 수학식 1과 같이 나타나며, 제백(Seebeck) 계수와 전기 전도도를 측정할 필요가 있다.
Figure pat00001
(여기에서, Z는 열전성능계수, α 는 제백계수, σ는 전기 전도도임)
제백 효과는 물질의 두 지점에서 온도 구배가 있을 때, 열적 평형에 도달하기 위하여 상기 두 지점 사이에서 전하 운반자들이 이동하게 되고, 이러한 이동에 의하여 상기 두 지점 사이에 전압 차이(즉, 열기전력)가 생기는 현상이다. 제백 계수는 소정의 온도 구배에서의 전압 차이를 의미하며, 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure pat00002
(여기에서, ΔV는 전압 차이, ΔT는 온도 구배임)
이러한 제백 계수를 얻기 위하여, 측정 대상 물질의 부분적인 가열 또는 냉각에 의한 온도 구배(ΔT)와 전압 차이(ΔV)를 측정할 필요가 있다.
나노 선의 열전 특성을 측정하는 경우에는, 나노 선의 지름이 보통 100 nm 이하로 매우 작으므로, 일반적인 온도계와 전압계의 탐침을 상기 나노 선에 직접 연결하여 온도와 전압을 측정하는 것은 거의 불가능하거나 측정 값의 신뢰도가 매우 낮다. 따라서, 나노 선의 열전 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 측정 장치가 요구되며, 이러한 요구를 충족하기 위하여 멤스 구조를 가지는 측정 장치가 적합할 수 있다. 또한, 상기 나노 선에 온도 구배를 제공하기 위하여 미세 구조를 가지는 히터가 요구되며, 상기 멤스 구조를 가지는 측정 장치 내에 히터를 함께 구현하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 도시하는 평면도이다. 도 2는 도 1의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 II-II를 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 도 1의 제1 영역(11)을 확대한 확대 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)는 기판(10)과 기판(10) 상에 위치하고 측정 대상 나노 선(NW)의 일부 영역을 가열하여 측정 대상 나노 선(NW)의 열전 특성을 측정하는 나노 구조체(20), 및 기판(10) 상에 위치하고 나노 구조체(20)와 전기적으로 연결되어 나노 구조체(20)에 전력을 공급하고 나노 구조체(20)로부터 신호를 전달하는 마이크로 단자(30)를 포함한다.
기판(10)은 나노 구조체(20)가 위치하는 제1 영역(11)과 마이크로 단자(30)가 위치하는 제2 영역(12)을 포함할 수 있다. 제1 영역(11)은 기판(10)의 중앙에 위치할 수 있고, 제2 영역(12)은 제1 영역(11)을 둘러싸도록 제1 영역(11)의 주위에 위치할 수 있다. 그러나, 제1 영역(11)과 제2 영역(12)의 위치 관계는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(10)은 제2 영역(12)에 한정하여 위치하는 지지층(17)과 지지층(17) 상에 위치하고 제1 영역(11)과 제2 영역(12)에 모두 위치하는 절연층(18)을 포함할 수 있다.
지지층(17)은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)의 최하측에 위치할 수 있고, 나노 구조체(20)와 마이크로 단자(30)를 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 지지층(17)은 제1 영역(11)에 상응하여 위치하는 개구부(19)를 포함할 수 있다. 따라서, 지지층(17)은 제1 영역(11)에는 위치하지 않고 제2 영역(12)에 한정하여 위치할 수 있다. 구체적으로, 지지층(17)은 마이크로 단자(30)의 하측에 위치할 수 있다. 반면, 지지층(17)은 나노 구조체(20)의 하측에 위치하지 않을 수 있다. 지지층(17)은 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지지층(17)은 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다. 지지층(17)은 불순물에 의하여 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다. 지지층(17)은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)의 외형을 유지할 수 있는 충분한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 1 ㎛ 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.
절연층(18)은 지지층(17) 상에 위치할 수 있고, 나노 구조체(20) 및 마이크로 단자(30)를 지지층(17)으로부터 절연하는 기능을 수행할 수 있다. 절연층(18)은 개구부(19) 상에도 위치하도록 연장될 수 있다. 이에 따라, 절연층(18)은 제1 영역(11)과 제2 영역(12)에 모두 위치할 수 있다. 절연층(18)은 개구부(19) 상에 위치하는 나노 구조체(20)를 지지할 수 있다. 절연층(18)은 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 절연층(18)은 상술한 바와 같은 지지 기능과 절연 기능을 수행하기 위한 충분한 두께를 가질 수 있다. 절연층(18)은, 예를 들어 100 nm 내지 1000 nm의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 500 nm의 두께를 가질 수 있다.
이와 같이, 기판(10)이 개구부(19)를 포함함으로, 나노 구조체(20)의 하측의 기판(10)의 두께가 얇아지게 되고, 기판(10)의 열용량을 감소시킬 수 있다. 즉, 기판(10)의 제1 영역(11)의 열용량이 기판(10)의 제2 영역(12)의 열용량에 비하여 작게할 수 있다. 이에 따라, 나노 구조체(20)가 열평형에 도달하는 시간을 감소시킬 수 있고, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배의 크기를 증가시킬 수 있다.
나노 구조체(20)는 기판(10)의 제1 영역(11)에 위치할 수 있고, 예를 들어 기판(10)의 중앙 영역에 위치할 수 있다. 나노 구조체(20)의 하측에는 절연층(18)이 위치할 수 있고, 지지층(17)이 위치하지 않을 수 있다.
나노 구조체(20)는 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90)를 포함할 수 있다. 제1 직류 전류 인가 전극(40) 및 제2 직류 전류 인가 전극(50)은 기판(10) 상에 위치하고, 측정 대상 나노 선(NW)에 직류 전류를 인가할 수 있다. 제1 히터(80)와 제2 히터(90)는 측정 대상 나노 선(NW)에 온도 구배를 제공하도록 가열할 수 있다. 제1 측정 전극(60) 및 제2 측정 전극(70)은 기판(10) 상에 위치하고, 측정 대상 나노 선(NW)에 인가된 직류 전류에 의하여 형성되는 전압 강하를 측정하고, 또한 측정 대상 나노 선(NW)의 상기 온도 구배를 측정할 수 있다.
제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90) 각각은, 예를 들어 1 nm 내지 1000 nm 범위의 폭을 가질 수 있고, 백금 또는 백금 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90) 각각은, 예를 들어 10 nm 내지 300 nm의 높이를 가질 수 있고, 예를 들어 약 200 nm의 높이를 가질 수 있다.
제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80) 및 제2 히터(90)는 동일한 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 물질을 포함할 수 있고, 동일한 높이를 가지거나 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80) 및 제2 히터(90)가 동일한 공정에서 형성되는 경우에는, 이들은 동일한 물질을 포함할 수 있고 또한 동일한 높이를 가질 수 있다. 그러나 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)은 서로 대향하도록 위치할 수 있고, 서로 이격되어 단락될 수 있다. 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)은 서로 대칭되는 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 서로 회전 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 직류 전류 인가 전극(40)은 기판(10)의 제1 측(13)을 향하는 제1 방향으로 연장될 수 있고, 제2 직류 전류 인가 전극(50)은 상기 제1 방향과는 반대이고 기판(10)의 제2 측(14)을 향하는 제2 방향으로 연장될 수 있다.
제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)은 서로 대향하도록 위치할 수 있고, 서로 이격되어 단락될 수 있다. 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)은 서로 대칭되는 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 서로 회전 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향으로 각각 연장될 수 있다. 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)은 각각 양단부에 분지들을 포함할 수 있다. 제1 측정 전극(60)은 일단부에 상기 제1 방향으로 연장된 제1 분지(62)와 제2 분지(64)를 포함할 수 있고, 상기 일단부에 반대인 타단부에 상기 제2 방향으로 연장된 제3 분지(66)와 제4 분지(68)를 포함할 수 있다. 제2 측정 전극(70)은 일단부에 상기 제1 방향으로 연장된 제5 분지(72)와 제6 분지(74)를 포함할 수 있고, 상기 일단부에 반대인 타단부에 상기 제2 방향으로 연장된 제7 분지(76)와 제8 분지(78)를 포함할 수 있다.
제1 측정 전극(60)은 제1 직류 전류 인가 전극(40)에 인접하여 위치할 수 있고, 제2 측정 전극(70)은 제2 직류 전류 인가 전극(50)에 인접하여 위치할 수 있다. 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50) 사이에 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)이 위치할 수 있다.
제1 히터(80)와 제2 히터(90)는 측정 대상 나노 선(NW)에 온도 구배를 제공할 수 있다. 제1 히터(80)와 제2 히터(90)는 서로 독립적으로 작동될 수 있고, 이에 따라 측정 대상 나노 선(NW)에 온도 구배의 크기와 방향을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 히터(80)가 턴온(turn on)되고 제2 히터(90)가 턴 오프(turn off)되면, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 제1 히터(80)에 가까운 쪽이 온도가 높고 제2 히터(90)에 가까운 쪽이 온도가 낮게 형성된다. 이러한 온도 구배는 제1 히터(80)에 인가되는 전류가 제2 히터(90)에 인가되는 전류에 비하여 크게 하여 구현할 수 있다. 또한, 이와 반대로 제1 히터(80)가 턴오프되고 제2 히터(90)가 턴 온되면, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 제1 히터(80)에 가까운 쪽이 온도가 낮고 제2 히터(90)에 가까운 쪽이 온도가 낮게 형성된다. 이러한 온도 구배는 제1 히터(80)에 인가되는 전류가 제2 히터(90)에 인가되는 전류에 비하여 작게 하여 구현할 수 있다.
제1 히터(80)와 제2 히터(90)는 서로 대향하도록 위치할 수 있고, 서로 이격될 수 있다. 제1 히터(80)는 제1 직류 전류 인가 전극(40)이 연장되는 방향에 대하여 수직으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 히터(80)는 기판(10)의 제3 측(15)을 향하는 제3 방향으로 제1 직류 전류 인가 전극(40)으로부터 이격되어 위치할 수 있다. 또한, 제1 히터(80)는 제1 직류 전류 인가 전극(40)을 중심으로 제1 측정 전극(60)에 대향하도록 위치할 수 있다. 제2 히터(90)는 제2 직류 전류 인가 전극(50)이 연장되는 방향에 대하여 수직으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 제2 히터(90)는 기판(10)의 제4 측(16)을 향하는 제4 방향으로 제2 직류 전류 인가 전극(50)으로부터 이격되어 위치할 수 있다. 또한, 제2 히터(90)는 제2 직류 전류 인가 전극(50)을 중심으로 제2 측정 전극(70)에 대향하도록 위치할 수 있다.
제1 히터(80)와 제2 히터(90)는 각각 발열을 증가시키기 위하여 구불구불한 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 대안적으로, 제1 히터(80)와 제2 히터(90) 중 하나만을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
나노 구조체(20)의 중앙 부분으로부터 외곽 부분으로, 상기 제3 방향으로 따라서 제1 측정 전극(60), 제1 직류 전류 인가 전극(40), 및 제1 히터(80)가 위치할 수 있다. 즉, 제1 직류 전류 인가 전극(40)은 제1 측정 전극(60)과 제1 히터(80) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 이와 대칭적으로, 상기 제4 방향으로 따라서 제2 측정 전극(70), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 및 제2 히터(90)가 위치할 수 있다. 즉, 제2 직류 전류 인가 전극(50)은 제2 측정 전극(70)과 제2 히터(90) 사이에 위치할 수 있다.
대안적으로, 제1 측정 전극(60)와 제1 직류 전류 인가 전극(40)의 위치가 서로 바뀔 수 있고, 제2 측정 전극(70)와 제2 직류 전류 인가 전극(50)의 위치가 서로 바뀔 수 있다. 즉, 제1 측정 전극(60)은 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제1 히터(80) 사이에 위치할 수 있고, 또한, 제2 측정 전극(70)은 제2 직류 전류 인가 전극(50) 과 제2 히터(90) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 경우에는, 나노 구조체(20)의 중앙 부분으로부터 외곽 부분으로, 상기 제3 방향으로 따라서 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제1 측정 전극(60), 및 제1 히터(80)가 위치하고, 이와 대칭적으로 상기 제4 방향으로 따라서 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제2 측정 전극(70), 및 제2 히터(90)가 위치할 수 있다.
제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80) 및 제2 히터(90)는 서로 이격되어 위치하고 이에 따라 단락되어 있다.
측정 대상 나노 선(NW)은 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)을 교차하도록 위치하여, 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)을 전기적으로 연결한다. 또한, 측정 대상 나노 선(NW)은 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)을 교차하도록 위치하여, 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)을 전기적으로 연결한다.
마이크로 단자(30)는 나노 구조체(20)의 제1 히터(80) 및 제2 히터(90)에 각각 전력을 공급하여 열을 발생시키는 제1 히터용 마이크로 단자(31) 및 제2 히터용 마이크로 단자(33)를 포함할 수 있다. 마이크로 단자(30)는 나노 구조체(20)의 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 및 제2 측정 전극(70)에 신호를 송수신하는 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)를 포함할 수 있다. 제1 히터용 마이크로 단자(31), 제2 히터용 마이크로 단자(33), 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)는 동일한 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 물질을 포함할 수 있고, 동일한 높이를 가지거나 또는 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 히터용 마이크로 단자(31), 제2 히터용 마이크로 단자(33), 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)가 동일한 공정에서 형성되는 경우에는, 이들은 동일한 물질을 포함할 수 있고 또한 동일한 높이를 가질 수 있다. 그러나 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 히터용 마이크로 단자(31), 제2 히터용 마이크로 단자(33), 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37) 각각은 티타늄과 금의 이중층으로 형성될 수 있고, 예를 들어 10 nm 내지 300 nm의 높이를 가질 수 있고, 예를 들어 약 200 nm의 높이를 가질 수 있다.
또한, 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90)와 제1 히터용 마이크로 단자(31), 제2 히터용 마이크로 단자(33), 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)가 동일한 높이를 가지거나 또는 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
제1 히터용 마이크로 단자(31)는 기판(10)의 제3 측(15)에 위치할 수 있고, 양극과 음극의 한 쌍으로 구성될 수 있다. 제1 히터용 마이크로 단자(31)는 제1 배선(32)을 통하여 제1 히터(80)에 전기적으로 연결될 수 있고, 전원(미도시)과 연결되어 제1 히터(80)가 가열되도록 제1 히터(80)에 전력을 제공할 수 있다.
제2 히터용 마이크로 단자(33)는 기판(10)의 제4 측(16)에 위치할 수 있고, 양극과 음극의 한 쌍으로 구성될 수 있다. 제2 히터용 마이크로 단자(33)는 제2 배선(34)을 통하여 제2 히터(90)에 전기적으로 연결될 수 있고, 전원(미도시)과 연결되어 제2 히터(90)가 가열되도록 제2 히터(90)에 전력을 제공할 수 있다.
제1 히터용 마이크로 단자(31)와 제2 히터용 마이크로 단자(33)는 서로 대향하도록 위치할 수 있고, 서로 대칭적인 형상을 가질 수 있다. 그러나, 제1 히터용 마이크로 단자(31)와 제2 히터용 마이크로 단자(33)의 위치와 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 대안적으로, 제1 히터용 마이크로 단자(31)와 제2 히터용 마이크로 단자(33) 중 하나만을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35)는 기판(10)의 제1 측(13)에 위치할 수 있고, 복수로 구성될 수 있고, 예를 들어 다섯 개가 일 군으로 구성될 수 있다. 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35)들는 제3 배선(36)을 통하여 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제1 측정 전극(60)의 제1 분지(62), 제1 측정 전극(60)의 제2 분지(64), 제2 측정 전극(70)의 제5 분지(72), 및 제2 측정 전극(70)의 제6 분지(74)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)는 기판(10)의 제2 측(14)에 위치할 수 있고, 복수로 구성될 수 있고, 예를 들어 다섯 개가 일 군으로 구성될 수 있다. 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)는 제4 배선(38)을 통하여 제1 측정 전극(60)의 제3 분지(66), 제1 측정 전극(60)의 제4 분지(68), 제2 측정 전극(70)의 제7 분지(76), 제2 측정 전극(70)의 제8 분지(78), 및 제2 직류 전류 인가 전극(50)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35)와 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)는 서로 대향하도록 위치할 수 있고, 서로 대칭적인 형상을 가질 수 있다. 그러나, 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35)와 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37)의 위치와 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 나노 물질의 열전 특성을 측정하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 나노 물질의 전기 전도도를 측정하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 측정 대상 나노 선(NW)을 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50) 사이에 전기적으로 연결되도록 위치시킨다. 이에 따라, 측정 대상 나노 선(NW)은 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)에도 전기적으로 연결된다.
이어서, 제1 직류 전류 인가 전극(40)을 직류 전원(PS)에 연결하고, 제2 측정 전극(70)을 접지(E)에 연결한다. 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)을 전압계(VM)에 연결한다. 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)에 직류 전원(PS)으로부터 전류를 인가하여, 측정 대상 나노 선(NW)에 전류를 흐르게 하고, 전압계(VM)로부터 측정 대상 나노 선(NW)에 인가되는 전압을 측정한다. 상술한 측정 방법은 제1 직류 전류 인가 전극(40)과 제2 직류 전류 인가 전극(50)에 전류를 인가하고, 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)으로부터 전압을 측정하는 4단자 측정 방법으로서, 회로 및 나노 구조체(20)의 기생저항성분을 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 측정한 나노 물질의 전류-전압 곡선이다.
도 5를 참조하면, 측정 대상 나노 선(NW)에 흐르는 직류 전류가 증가됨에 따라 측정 대상 나노 선(NW)에 인가되는 전압이 선형적으로 증가되었다. 따라서, 나노 구조체(20)와 측정 대상 나노 선(NW)이 오믹 콘택하는 것을 알 수 있고, 본 결과에 따른 측정 대상 나노 선(NW)의 전압 측정값이 유효함을 알 수 있다. 도 5의 전류-전압 그래프의 기울기로부터 저항 값을 구하고, 측정 대상 나노 선(NW)의 기하학적 치수들을 적용하면 측정 대상 나노 선(NW)의 전기 전도도를 구할 수 있다. 상기 측정 대상 나노 선(NW)의 기하학적 치수는 주사전자현미경 사진을 이용하여 구할 수 있다.
도 6은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)의 제1 히터(80) 및 제2 히터(90)에 공급되는 전류와 측정 대상 나노 선(NW) 양단에서 측정된 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 측정 대상 나노 선(NW) 양단의 측정된 전압 차이가 제백 효과에 의한 것인지 여부를 판단할 수 있다.
본 측정을 위하여, 도 7의 회로도를 사용할 수 있다. 제1 히터(80)에 전류를 공급하고 제2 히터(90)에는 전류를 공급하지 않는다. 제1 히터(80)에 공급하는 전류를 스텝형으로 증가시킨 후 이어서 스텝형으로 감소시킨다. 각각의 스텝에서의 측정 대상 나노 선(NW)의 전압 차이(즉, 열기전력)을 전압계를 이용하여 측정한다. 이어서, 제2 히터(90)에 전류를 공급하고 제1 히터(80)에는 전류를 공급하지 않는다. 제2 히터(90)에 공급하는 전류를 스텝형으로 증가시킨 후 이어서 스텝형으로 감소시킨다. 각각의 스텝에서의 측정 대상 나노 선(NW)의 전압 차이(즉, 열기전력)을 전압계를 이용하여 측정한다.
먼저, 제1 히터(80)에 전류가 공급되면 제1 히터(80)는 가열되고, 제2 히터(90)는 전류가 공급되지 않으므로 가열되지 않는다. 이에 따라, 제1 히터(80)에 인접한 측정 대상 나노 선(NW)의 일단부는 제2 히터(90)에 인접한 측정 대상 나노 선(NW)의 타단부에 비하여 더 가열된다. 이에 따라, 측정 대상 나노 선(NW)은 온도 구배를 가지게 되고, 측정 대상 나노 선(NW)의 양단은 제백 효과에 의한 열기전력을 발생하게 된다.
제1 히터(80)에 공급되는 전류가 증가될수록 제1 히터(80)는 더 가열된다. 즉, 상기 전류와 제1 히터(80)의 발열량은 P=I2R 의 관계에 따라 전류의 제곱의 관계로 증가한다. 제1 히터(80)가 가열됨에 따라 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 증가되어 제백 효과에 의해 측정 대상 나노 선(NW)의 양단의 열기전력이 증가된다. 이와 반대로, 상기 전류가 감소될수록 측정 대상 나노 선(NW)의 열기전력이 감소된다. 또한, 상기 열기전력은 전류가 선형적으로 증가됨에 따라 전류의 제곱의 관계로 변화하였다.
반면, 제2 히터(90)에 전류가 공급되면 제2 히터(90)는 가열되고, 제1 히터(80)는 전류가 공급되지 않으므로 가열되지 않는다. 이에 따라, 제2 히터(90)에 인접한 측정 대상 나노 선(NW)의 상기 타단부는 제1 히터(80)에 인접한 측정 대상 나노 선(NW)의 상기 일단부에 비하여 더 가열된다. 이에 따라, 측정 대상 나노 선(NW)은 온도 구배를 가지게 되고, 측정 대상 나노 선(NW)의 양단은 제백 효과에 의한 열기전력을 발생하게 된다.
제2 히터(90)에 공급되는 전류가 증가될수록 제2 히터(90)는 더 가열된다. 즉, 상기 전류가 선형적으로 증가함에 따라 제2 히터(90)의 온도는 전류의 제곱의 관계로 증가한다. 제2 히터(90)가 가열됨에 따라 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 증가되어 제백 효과에 의해 측정 대상 나노 선(NW)의 양단의 열기전력이 증가된다. 이와 반대로, 상기 전류가 감소될수록 측정 대상 나노 선(NW)의 열기전력이 감소된다. 또한, 상기 열기전력은 전류가 선형적으로 증가됨에 따라 전류의 제곱의 관계로 변화하였다.
또한, 제1 히터(80)에 의하여 측정 대상 나노 선(NW)이 가열되는 경우의 열기전력은 제2 히터(90)에 의하여 측정 대상 나노 선(NW)이 가열되는 경우의 열기전력과 반대의 방향을 가지고 각각의 스텝에 대하여도 거의 유사한 절대값을 가진다.
그러므로, 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 측정한 측정 대상 나노 선(NW)의 열기전력은 제백 효과에 의한 것임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 나노 물질의 온도 및 열기전력을 측정하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 측정 대상 나노 선(NW)의 양 단부 사이에 발생하는 열기전력은 전압계(VM)를 이용하여 측정하고, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)을 이용하여 측정한다. 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는 제1 히터(80) 및 제2 히터(90) 중 하나를 가열하거나 또는 이들의 가열 온도를 달리함으로써 구현할 수 있다.
측정 대상 나노 선(NW)의 양 단부 사이에 발생하는 열기전력은 도 6을 참조하여 설명한 방법으로 측정할 수 있다. 또는, 상기 열기전력은 도 7의 회로도에서 스위치(SW)가 모두 열린 상태에서 전압계(VM)를 이용하여 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70) 사이의 전압을 측정함으로써 구할 수 있다.
측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배는, 도 7의 회로도에서 스위치(SW)가 모두 닫힌 상태에서 제1 및 제2 록인 앰프(LA1, LA2)를 이용한 4단자 측정 방법으로 측정할 수 있다. 제1 및 제2 록인 앰프(LA1, LA2)로부터 교류 전압 파형을 제공하고, 상기 교류 전압 파형을 각각 소정의 저항(R)을 지나게 하여 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)에 흐르는 전류를 계산한다. 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70)에 흐르는 전류는 접지(E)를 통하여 빠져나가므로, 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70) 각각의 양단의 전압을 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 전류와 상기 전압으로부터 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70) 각각의 저항값을 측정할 수 있다. 하기에 도 8을 참조하여 설명하는 바와 같이, 제1 측정 전극(60)과 제2 측정 전극(70) 각각의 저항값에 상응하는 온도 값을 산출할 수 있다.
제1 측정 전극(60)의 제1 내지 제4 분지(62, 64, 66, 68, 도 3 참조)는 제1 측정 전극(60)과 제1 록인 앰프(LA1)와의 전기적 연결을 용이하게 할 수 있고, 제2 측정 전극(70)의 제5 내지 제8 분지(62, 64, 66, 68, 도 3 참조)는 제2 측정 전극(70)과 제2 록인 앰프(LA2)와의 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 록인 앰프(LA1, LA2)의 교류 전압 파형의 주파수를 변화시켜 측정 간섭을 최소화할 수 있다.
제1 및 제2 측정 전극(60, 70)으로부터 측정된 저항 값은 온도로 변환할 필요가 있다. 예를 들어, 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 온도가 정밀하게 조정되는 환경에 노출시킨 후, 온도를 정밀하게 변화시키면서 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)의 각 온도에서의 저항 값을 측정한다. 이어서, 온도와 저항 값의 기울기로부터 저항온도계수(temperature coefficient of resistance, TCR)를 구할 수 있다. 상기 TCR을 이용하여, 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)으로부터 측정된 저항값을 온도로 변환할 수 있다.
또한, 필요한 경우, 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)의 길이 방향으로의 온도 편차를 보정할 수 있다.
도 8은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 측정한 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)의 저항 변화와 실제 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)에 대한 온도-저항 그래프이고, 각각의 그래프의 기울기는 TCR을 나타낸다. 제1 및 제2 측정 전극(60, 70)의 온도-저항 그래프는 거의 동일한 값들을 나타낸다. 따라서, 상기 TCR을 이용하여 도 7에서 구한 저항 값을 온도로 변환할 수 있다.
도 9는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 이용하여 측정한 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배 변화와 열기전력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 변화(ΔT)가 증가되면, 열기전력(ΔV)은 선형적으로 증가된다. 상기 그래프의 기울기로부터 제백 계수를 구할 수 있다.
따라서, 도 5에서 설명한 바와 같이, 측정 대상 나노 선(NW)의 전기전도도를 측정하고, 도 9에서 설명한 바와 같이 측정 대상 나노 선(NW)의 제백 계수를 측정하면, 수학식 1에 따라 열전성능계수를 구할 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 방법은, 측정 대상 나노 물질에 직류 전류 인가 전극을 통하여 직류 전류를 인가하는 단계; 상기 측정 대상 나노 물질에 인가된 상기 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정 전극을 통하여 측정하는 단계; 상기 측정 대상 나노 물질을 히터를 이용하여 가열하여 상기 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 형성하는 단계; 및 상기 측정 대상 나노 물질에 형성된 온도 구배에 의하여 발생하는 열기전력을 상기 측정 전극을 통하여 측정하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 방법은 상기 측정된 전압으로부터 상기 측정 대상 나노 물질의 전기 전도도를 산출하고, 상기 측정된 열기전력으로부터 상기 측정 대상 나노 물질의 제백 계수를 산출하여 열전성능계수를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
도 10 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)를 형성하는 방법을 도시하는 도면들이다.
도 10을 참조하면, 지지층(17) 상에 절연층(18)이 형성된 기판(10)을 제공한다.
지지층(17)은 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지지층(17)은 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다. 지지층(17)은 불순물에 의하여 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다. 지지층(17)은 나노 물질용 열전 특성 측정 장치(100)의 외형을 유지할 수 있는 충분한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 1 ㎛ 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.
절연층(18)은 후속의 공정에서 형성되는 나노 구조체(20) 및 마이크로 단자(30)를 지지층(17)으로부터 절연하는 기능 및 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 절연층(18)은 절연물을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 절연층(18)은 상술한 바와 같은 지지 기능과 절연 기능을 수행하기 위한 충분한 두께를 가질 수 있다. 절연층(18)은, 예를 들어 100 nm 내지 1000 nm의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 500 nm의 두께를 가질 수 있다.
도 11을 참조하면, 절연층(18) 상에 제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)을 순차적으로 형성한다.
제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)은 각각 도전물을 포함할 수 있다. 제1 도전층(21)은, 예를 들어 티타늄 또는 티타늄 함금을 포함할 수 있다. 제2 도전층(22)은, 예를 들어 금 또는 금 합금을 포함할 수 있다. 제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)의 두께의 합은, 예를 들어 10 nm 내지 300 nm 범위일 수 있고, 예를 들어 약 200 nm일 수 있다. 제1 도전층(21)의 두께는 제2 도전층(22)의 두께에 비하여 작거나 동일하거나 또는 더 클 수 있다. 제1 도전층(21)은, 예를 들어 5 nm 내지 200 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 45 nm의 두께를 가질 수 있다. 제2 도전층(22)은, 예를 들어 5 nm 내지 200 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 155 nm의 두께를 가질 수 있다. 제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)의 재질과 두께는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)이 하나의 층으로 구성되거나 복수의 적층으로 구성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 12를 참조하면, 제1 도전층(21)과 제2 도전층(22)의 일부 영역을 제거하여 마이크로 단자(30)를 형성한다.
상기 제거 공정은, 예를 들어 포토 리소그래피 방법을 이용하여 수행할 수 있고, 예를 들어 자외선 리소그래피 방법을 이용하여 수행할 수 있다.
마이크로 단자(30)는 기판(10)의 중앙에 위치하는 제1 영역(11)을 둘러싸는 제2 영역(12)에 한정하여 위치할 수 있다. 마이크로 단자(30)는 나노 구조체(20, 도 1 참조)와 외부와의 전기적 연결을 제공할 수 있다. 마이크로 단자(30)는 제1 도전층(21)의 두께와 과 제2 도전층(22)의 두께를 합한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 200 nm의 두께를 가질 수 있다. 마이크로 단자(30)는 제1 히터용 마이크로 단자(31, 도 1 참조), 제2 히터용 마이크로 단자(33, 도 1 참조), 제1 신호 송수신용 마이크로 단자(35, 도 1 참조), 및 제2 신호 송수신용 마이크로 단자(37, 도 1 참조)를 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 절연층(18) 상에 제3 도전층(23)을 형성한다.
제3 도전층(23)은 마이크로 단자(30) 상으로 연장될 수 있다. 제3 도전층(23)은 도전물을 포함할 수 있고, 예를 들어 백금 또는 백금 합금을 포함할 수 있다. 제3 도전층(23)은, 예를 들어 10 nm 내지 300 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 200 nm의 두께를 가질 수 있다. 제3 도전층(23)의 재질과 두께는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제3 도전층(23)이 하나의 층으로 구성되거나 복수의 적층으로 구성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 14를 참조하면, 제3 도전층(23)의 일부 영역을 제거하여, 나노 구조체(20)를 형성한다.
상기 제거 공정은, 예를 들어 포토 리소그래피 방법을 이용하여 수행할 수 있고, 예를 들어 전자빔 리소그래피 방법을 이용하여 수행할 수 있다.
나노 구조체(20)는 기판(10)의 제1 영역(11)에 위치할 수 있고, 예를 들어 기판(10)의 중앙 영역에 위치할 수 있다. 나노 구조체(20)는 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90)를 포함할 수 있다. 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90) 각각은, 예를 들어 1 nm 내지 1000 nm 범위의 폭을 가질 수 있다. 제1 직류 전류 인가 전극(40), 제2 직류 전류 인가 전극(50), 제1 측정 전극(60), 제2 측정 전극(70), 제1 히터(80), 및 제2 히터(90)의 상대적인 위치는 상술한 바와 같다.
이어서, 나노 구조체(20)와 마이크로 단자(30)를 전기적으로 연결하는 제1 내지 제4 배선(32, 34, 36, 38, 도 1 참조)을 형성한다.
도 15를 참조하면, 기판(10)의 제1 영역(11)의 하측 부분을 제거하여, 예를 들어 제1 영역(11)의 지지층(17)을 제거하여 개구부(19)를 형성한다.
상기 제거 공정은, 예를 들어 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 지지층(17)이 실리콘인 경우에는, KOH를 이용한 습식 식각법을 이용하여 수행할 수 있다.
이에 따라, 나노 구조체(20)의 하측에는 개구부(19)가 위치하게 되므로 절연층(18)이 위치하고, 지지층(17)이 위치하지 않게 된다. 따라서, 나노 구조체(20)의 하측의 기판(10)의 두께가 얇아지게 되고, 기판(10)의 열용량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 나노 구조체(20)가 열평형에 도달하는 시간을 감소시킬 수 있고, 측정 대상 나노 선(NW)의 온도 구배의 크기를 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 나노 물질용 열전 특성 측정 장치,
10: 기판, 17: 지지층, 18: 절연층, 19: 개구부,
20: 나노 구조체, 21: 제1 도전층, 22: 제2 도전층, 23: 제3 도전층,
30: 마이크로 단자, 31: 제1 히터용 마이크로 단자, 32: 제1 배선,
33: 제2 히터용 마이크로 단자, 34: 제2 배선,
35: 제1 신호 송수신용 마이크로 단자, 36: 제3 배선,
37: 제2 신호 송수신용 마이크로 단자, 38: 제4 배선,
40: 직류 전류 인가 전극, 50: 제2 직류 전류 인가 전극,
60: 제1 측정 전극, 70: 제2 측정 전극,
80: 제1 히터, 90: 제2 히터,

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질에 직류 전류를 인가하는 직류 전류 인가 전극;
    상기 기판 상에 위치하고, 상기 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 제공하도록 가열하는 히터;
    상기 기판 상에 위치하고, 상기 측정 대상 나노 물질에 인가된 상기 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정하고, 상기 측정 대상 나노 물질의 상기 온도 구배를 측정하는 측정 전극; 및
    상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극과 각각 전기적으로 연결된 마이크로 단자;
    를 포함하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 인가 전극은 상기 히터와 상기 측정 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 전극은 상기 전류 인가 전극과 상기 히터 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 전극은 양 단부에 분지들을 가지는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류 인가 전극과 상기 측정 전극은 제1 방향으로 연장되고,
    상기 히터는 상기 제1 방향과는 수직인 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는 하나로 구성되거나 또는 서로 대향하는 복수 개로 구성된 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극은 동일한 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극 중 적어도 어느 하나는 백금 또는 백금 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 직류 전류 인가 전극, 상기 히터, 및 상기 측정 전극이 위치하는 제1 영역; 및
    상기 마이크로 단자가 위치하는 제2 영역;
    을 포함하고,
    상기 제1 영역의 열용량이 상기 제2 영역의 열용량에 비하여 작게되도록, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 비하여 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 의하여 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 절연층을 포함하고,
    상기 제2 영역은 상기 절연층과 상기 절연층의 하측에 위치한 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 단자는,
    상기 나노 구조체에 전력을 전달하여 열을 발생시키는 히터용 마이크로 단자; 및
    상기 나노 구조체와 신호를 송수신하는 신호 송수신용 마이크로 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  13. 기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 측정 대상 나노 물질의 일부 영역을 가열하여 상기 측정 대상 나노 물질의 열전 특성을 측정하는 나노 구조체;
    상기 기판 상에 위치하고 상기 나노 구조체와 전기적으로 연결된 마이크로 단자;
    를 포함하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치.
  14. 측정 대상 나노 물질에 직류 전류 인가 전극을 통하여 직류 전류를 인가하는 단계;
    상기 측정 대상 나노 물질에 인가된 상기 직류 전류에 의하여 형성되는 전압을 측정 전극을 통하여 측정하는 단계;
    상기 측정 대상 나노 물질을 히터를 이용하여 가열하여 상기 측정 대상 나노 물질에 온도 구배를 형성하는 단계; 및
    상기 측정 대상 나노 물질에 형성된 온도 구배에 의하여 발생하는 열기전력을 상기 측정 전극을 통하여 측정하는 단계;
    를 포함하는 나노 물질용 열전 특성 측정 방법.
  15. 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 지지층과 절연층이 순차적으로 형성된 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 제 2 영역 상에 마이크로 단자를 형성하는 단계;
    상기 기판의 상기 제1 영역 상에 직류 전류 인가 전극, 측정 전극, 및 히터를 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 제1 영역의 지지층을 제거하여 개구부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 나노 물질용 열전 특성 측정 장치의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102336149B1 (ko) * 2020-08-05 2021-12-08 재단법인 한국탄소산업진흥원 블록형 발열체 특성 분석 장치

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